不同引配水模式对区域水质提升效果分析

岳青华，王司辰，朱 捷，郭 靖，赵建锋

(中国电建集团华东勘测设计研究院，浙江杭州311100)

我国城市经济高速发展，但日益严峻的环境问题也随之而来[1-2]。因此，强化污染源控制，加强水环境管理已刻不容缓[3]。区域水质提升需采用长效综合治理手段，包括控污、治污和活水等。控污在技术上主要为截污纳管。治污主要为运用物理、化学及生活手段降低水体中污染物含量，改善水质。活水主要为域外引水和域内活水，通过引配水的方式改善水动力条件，提高水体的自净能力，从而提升水体水质[4-5]。本文以台州南片温黄平原为研究对象，以灵江建闸部分引水作为生态配水水源，制定不同的引配水模式，通过使用数值模型对不同引配水模式对水体水质提升效果进行分析。

1 河网现状

温黄平原位于椒江及灵江干流以南，乐清湾以北，东部和东南部濒临东海，其整体地形西高东低，西北与西南部为括苍、北雁荡等山脉，多高山峻岭；东北部为滨海冲积平原，地势低平，河渠纵横、水网密布。区内河道以降水补给为主，辅以山区水库等，但是，由于汇水面积小、降水带有明显的季节性，并且山区水库绝大部分已经转为城镇供水，造成河网水源补给不足、水流滞缓、流动性较差。水体长时间不流动，其自净能力严重不足，加之沿河污染物排放，导致河道水质恶化。分析2017年水质数据，结果如表1和表2所示，部分断面水质超标严重，河道水环境有待治理。

表1 2017年研究区域内部分断面年超标率统计 %

表2 2017年研究区域内部分断面最大超标倍数统计

2 数值模型

本次研究采用的数值模型水动力的基本方程为圣维南方程组，即

(1)

式中，Z为断面水位，m；Q为断面流量，m3/s；A为断面面积，m2；B为断面宽度，m；K为流量模数；q为旁侧入流。

具体计算时，采用四点线性隐式差分格式离散模型方程，带入初始条件与边界条件数值求解，并考虑桥堰的阻水、水流漫滩等水利条件。平原河网中的涝区或内部塘、沟以及水位漫堤后的水流随时间变化较小，将其概化为调蓄湖进行计算。

描述河道水质的基本方程是一维河道污染物质输运方程，即

(2)

式中，C为污染物质浓度，g/m3；A为河道过水断面面积，m2；Q为河道过水断面流量，m3/s；E为河道一维弥散系数，m2/s；B为河道过水断面水面宽度，m；SL为单位时间、单位长度的源和汇，g/(s·m)；SA为单位时间、单位面积的源和汇，g/(s·m2)；SV为单位时间、单位体积的源和汇，g/(s·m3)。

河网水质模拟与水量模型的求解方法类似、同步。以河网节点水质指标为基本变量，把河道任何一个断面的水质指标表达成河道首、末节点水质指标的线性关系，通过节点的物质守恒方程，耦合联立求解节点水质指标。

模型概化了骨干河道104条，计算河道断面1 433个，概化湖泊及低洼地36处，水闸33座，概化湖泊及低洼地与河道之间的联系159处，边界49个。模型概化图如图1所示。断面资料采用温黄平原主要河道2016年以来实测断面资料，黄岩主干河道采用2014年实测断面，其他区域河道采用近年断面测量成果。验证计算的河道断面初始水位，采用验证初始时刻的各代表水位站实测值。平原河网河道糙率取0.020～0.025，近山区河道糙率取0.025～0.035。根据本项目实际，将COD、NH3-N作为模拟计算指标。模型参数为各指标的综合降解系数，经模型率定验证，得出降解系数取值如表1。

图1 河网模型水系概化

表3 模型参数(降解系数)取值

图3 水质模型验证成果

本次利用台州南片河网2017年路桥水位站实测数据和河网水质自动监测数据，对2017年全年河网水动力和水质模型进行验证。路桥站全年水位成果见图2，水质浓度结果见图3。从验证结果来看，本模型模拟值与实测值基本一致，模型能够反演台州南片河网水动力、水质的实际变化过程，可用于台州南片河网引配水效果的预测研究。

图2 水动力模型验证成果

3 引配水模式

3.1 模式论述

本次河网配水将台州南片温黄平原分为椒江区、路桥区、黄岩区和温岭区4个配水区。

本次研究提出续配和轮配两种引配水模式。续配指的是将引水流量按照各配水区分为几份，持续向各区域进行配水。轮配指的是将引水流量全部集中轮流向各区域配水，根据不同的换水周期确定轮配的时间间隔。两种配水模式如图4所示。

图4 引配水模式示意

3.2 方案设置

(1)对比方案。长潭水库生态下泄流量5 m3/s，经江南干渠、中干渠、西官河等河道，进入温黄平原河网，在潮位低于2 m时开启东部沿海排水闸退水至常水位，温岭仍按目前的1.4～1.6 m常水位进行控制，水流总体上从黄岩区流经椒江区、路桥区、温岭区。

(2)续配方案。在对比方案的基础上，灵江引水流量按最大30 m3/s考虑。根据各配水区面积、区域污染负荷等因素对配水水量进行分配，其中，椒江区12 m3/s，路桥区9 m3/s，温岭区9 m3/s。由于所有配水水量均需要通过黄岩区进入温黄平原，因此黄岩城区不特别去分配配水流量。

(3)轮配方案。在对比方案的基础上，灵江引水流量按最大30 m3/s考虑，全部集中轮流向椒江区、路桥区、黄岩区和温岭区配水，根据不同的换水周期确定轮配时间间隔。

总体配置格局如图5所示。

图5 规划引配水格局

3.3 配水效果分析

本研究根据温黄平原实际情况，采用基于水动力的目标换水周期法进行方案效果分析，本次研究以75%换水率作为换水目标。分析成果如表4所示。

(1)对比方案。该方案下配水路径最短的黄岩区城区达到75%换水率需要4 d，黄岩非城区需要5 d左右；椒江区城区需要16 d才能完成75%换水率目标，而椒江区非城区需要经过17 d才能达到66%的最大换水率，无法满足75%换水率目标；路桥区城区需要13 d实现75%换水率目标，非城区最大只能达到62%的换水率，大约需要17 d；对于配水线路较长的温岭市，不论是城区还是非城区，换水率最高只能达到10%左右，配水效果较小。

(2)续配方案。该方案下黄岩区城区配水3 d时能够完成75%换水率，黄岩非城区需要5 d天左右；椒江区城区配水2 d后换水率达到75%，椒江区非城区水体需要5 d达到目标换水率；路桥区城区需要5 d实现75%换水率，非城区经过 7 d配水可以满足换水率要求；温岭市城区经过14 d配水后换水率最高可达到60%，非城区基本不受配水影响。续配方案配水效果示意图见图6。

表4 配水效果分析成果 d

图6 续配模式配水效果示意

图7 轮配模式配水效果示意

(3)轮配方案。该方案下黄岩区城区达到75%换水率需要3 d，黄岩非城区需要5 d左右；椒江区城区配水1 d即可完成75%换水率目标，椒江区非城区水体需要2 d即可达到75%的换水率；路桥区城区需要4 d实现75%换水率目标，非城区经过6 d配水可以满足目标换水率要求；温岭市城区配水10 d可以达到75%的目标换水率，非城区配水15 d可以达到75%的目标换水率。在轮配过程中在向其他区域配水时，部分河段由于没有持续配水流量保障，水质开始变差，水环境质量出现反弹现象。轮配方案配水效果示意见图7。

4 结 论

对于温黄平原河网地区，当引配水水量一定，不能完全满足所有水体的生态需水时，可对该地区进行分区，并按照续配和轮配两种模式制定引配水方案。根据上述分析，续配模式下与引配水水源距离较近的地区可以达到目标换水率，且换水周期较长，离水源较远的地区的配水效果不理想。轮配模式下各个地区均可以达到目标换水率，且相比于续配模式，换水周期较短。但是由于间断配水，部分河道没有持续的配水保障，会出现水质反弹现象。综上所述，续配模式更适合于常态化生态配水，轮配模式更适合于应急性生态配水。